Математика и Computer Science

Учимся на опыте — байесовский путь

Издательство «Манн, Иванов и Фербер»/ISO Republic/Indicator.Ru

Статистика играла ключевую роль в научном познании мира на протяжении веков, а в эпоху больших данных базовое понимание этой дисциплины и статистическая грамотность становятся критически важными. Дэвид Шпигельхалтер в своей книге «Искусство статистики. Как находить ответы в данных» приглашает вас в не обремененное техническими деталями увлекательное знакомство с теорией и практикой статистики, а мы публикуем главу из книги.

Сначала я должен сделать признание от имени всего статистического сообщества. Формальная основа для обучения на данных несколько запутанна. Несмотря на многочисленные попытки создать единую теорию статистических выводов, ни одна версия так и не была полностью принята. Неудивительно, что математики не любят преподавать статистику.

Мы уже познакомились с конкурирующими идеями Фишера и Неймана — Пирсона. Пришло время исследовать третий, байесовский подход к работе. Хотя он получил известность только в последнее пятидесятилетие, его базовые принципы восходят к далекому прошлому, фактически к преподобному Томасу Байесу, пресвитерианскому священнику и математику из Танбридж-Уэллса, занимавшемуся философией и теорией вероятностей.

Хорошая новость состоит в том, что байесовский подход открывает новые возможности для создания сложных данных.

Плохая — он означает, что вам придется отложить в сторону почти все, что вы узнали из этой и других книг об оценивании, доверительных интервалах, P-значениях, проверке гипотез и так далее.

В чем суть байесовского подхода?

Первым крупным вкладом Томаса Байеса в науку было использование вероятности как выражения недостатка наших знаний о мире или, что одно и то же, нашего незнания о происходящем в данный момент. Он показал, что вероятность может использоваться не только для будущих событий, подверженных случайности, — стохастической неопределенности, если пользоваться термином, введенным в главе 8, но и для реальных событий, хорошо известных некоторым людям, просто мы этого пока не знаем, то есть для эпистемической неопределенности. Если задуматься, то мы окружены эпистемической неопределенностью в отношении вещей, которые определены, но нам пока неизвестны. Игроки ставят на следующую карту, мы покупаем билеты мгновенной лотереи, обсуждаем пол будущего ребенка, ломаем голову над детективом, спорим о количестве тигров, оставшихся в дикой природе, и получаем оценки возможного числа мигрантов или безработных. Все это объективно существующие факты или числа, просто мы их не знаем. Снова подчеркну, что с байесовской точки зрения для представления нашего личного незнания этих фактов и чисел удобно использовать вероятности. Мы можем даже подумать о присвоении вероятностей альтернативным научным теориям, но этот вопрос более спорный. Конечно, эти вероятности будут зависеть от наших нынешних знаний: вспомните пример из главы 8, где вероятность выпадения орла или решки зависит от того, посмотрели мы на монету или нет. Байесовские вероятности с необходимостью субъективны — они зависят от наших отношений с окружающим миром, а не являются свойствами самого мира. Такие вероятности должны меняться по мере получения нами новой информации.

Это приводит нас ко второму крупному вкладу Байеса — результату, который позволяет постоянно пересматривать текущие вероятности в свете новых доказательств. Он известен как теорема Байеса и фактически предоставляет формальный механизм обучения на опыте — блестящее достижение для малоизвестного священника из маленького английского курортного городка.

Томас Байес

Наследие Байеса обеспечивает фундаментальное понимание того, что данные не говорят сами за себя — центральную роль здесь играет наше внешнее знание и наши суждения. Это может показаться несовместимым с научным процессом, тем не менее наши фоновые знания и понимание всегда были частью извлечения информации из данных, разница лишь в том, что в байесовском подходе они обрабатываются формальным математическим образом.

О выводах из работы Байеса рьяно спорили многие статистики и философы, возражающие против идеи, что субъективное суждение играет в статистике какую-либо роль. Поэтому будет справедливо, если я проясню собственную позицию: меня познакомили с субъективистской байесовской школой статистических рассуждений в начале моей карьеры, и она до сих пор кажется мне наиболее удовлетворительным подходом.

У вас в кармане три монеты: на одной два орла, на другой две решки, третья обычная. Вы наугад вытаскиваете монету, подбрасываете ее, и выпадает орел. Какова вероятность, что на другой стороне монеты тоже орел?

Это классическая задача с эпистемической неопределенностью: как только монета падает после подбрасывания, никакой случайности не остается и любое высказывание о вероятности — всего лишь выражение вашего нынешнего личного незнания о другой стороне монеты.

Многие бы решили, что ответ — 1/2, поскольку монета либо обычная, либо с двумя орлами, и вероятность выбрать одну из них одинакова. Существует много способов это проверить, но проще всего использовать идею с ожидаемыми количествами, описанную в главе 8.

На рис. 1 показано, чего можно ожидать, если проделать такой эксперимент шесть раз. В среднем каждая монета будет выбрана дважды, и каждая из сторон выпадет по разу. Орел выпадает в трех случаях, причем в двух на второй стороне также будет орел. Поэтому вероятность того, что на второй стороне монеты тоже орел, равна 2/3, а не 1/2. По сути, выпадение орла повышает вероятность выбора монеты с двумя орлами, ведь у такой монеты есть два варианта упасть орлом вверх, а у симметричной — только один.

Рисунок 1. Дерево ожидаемых количеств для задачи с тремя монетами, показывающее, чего можно ожидать в случае шести экспериментов

Издательство «Манн, Иванов и Фербер»

Если этот результат не кажется вам интуитивно понятным, то следующий пример удивит вас еще больше.

Предположим, что точность некой проверки на допинг в спорте — 95%, то есть правильно будут определены 95% тех, кто принимает допинг, и 95% тех, кто не принимает. Допустим, что 1 из 50 атлетов действительно принимает допинг. Если тест спортсмена показал положительный результат, то какова вероятность, что он точно допингист?

Рисунок 2. Дерево ожидаемых количеств для задачи о допинге, показывающее, чего можно ожидать при проверке 1000 спортсменов, когда допинг принимает 1 из 50, а «точность» тестирования составляет 95%

Издательство «Манн, Иванов и Фербер»

Этот тип потенциально сложной задачи опять же лучше всего решать с помощью ожидаемых количеств, аналогично проверке женщин на рак молочной железы из главы 8 и ситуации с высокой долей неверных результатов в научных публикациях из главы 10.

Дерево на рис. 2 начинается с 1000 спортсменов, из которых 20 употребляли допинг, а 980 нет. Все допингисты, кроме одного, выявлены ( 95% от 20 = 19), однако положительные тесты также оказались у 49 атлетов, не употреблявших допинг (95% от 980 = 931). Следовательно, в общей сложности мы можем ожидать 19 + 49 = 68 положительных тестов, из которых только 19 действительно отражают допинг. Поэтому вероятность, что атлет с положительным допинг-тестом истинный допингист, составляет всего 19/68 = 28%, а оставшиеся 72% будут ложными обвинениями. Итак, хотя объявлено, что точность тестирования на допинг 95%, большинство людей с положительным допинг-тестом на самом деле будут невиновными. Нетрудно представить все проблемы, которые этот парадокс может вызвать в реальной жизни, когда спортсменов незаслуженно клеймят за проваленныйдопинг-тест.

Один из способов осмыслить этот процесс — «поменять порядок» в дереве, сначала поставив тестирование, а затем раскрыв истину. Это показано на рис. 3.

Рисунок 3. «Обращенное» дерево ожидаемых количеств для задачи о допинге, перестроенное так, чтобы сначала шли результаты тестов, а затем истинное положение вещей

Издательство «Манн, Иванов и Фербер»

Это «обращенное» дерево дает в точности те же числа, но учитывает временной порядок, в котором мы получаем информацию (тестирование → допинг), а не порядок по фактической временнóй шкале (допинг → тестирование). Это «обращение» как раз и есть тем, что делает теорема Байеса; на самом деле байесовское мышление до 1950-х именовалось «обратной вероятностью».

Пример со спортивным допингом показывает, насколько легко спутать вероятность наличия допинга при условии положительного теста (28%) с вероятностью положительного теста при условии наличия допинга (95%). Мы уже сталкивались со случаями, когда вероятность события А при условии, что произошло событие В, путали с вероятностью события В при условии, что произошло событие А:

— неправильная интерпретация P-значений, когда вероятность какого-то факта при условии нулевой гипотезы смешивается с вероятностью нулевой гипотезы при условии этого факта;

— ошибка прокурора в судебных разбирательствах, когда вероятность факта при условии невиновности путается с вероятностью невиновности при условии такого факта.

Разумный наблюдатель может подумать, что формальное байесовское мышление внесло бы ясность и строгость в работу с доказательствами в судебных разбирательствах, а потому точно удивится, узнав, что британские суды фактически запрещают теорему Байеса. Прежде чем объяснить, почему, нам нужно рассмотреть статистическую величину, которая в суде разрешена, — отношение правдоподобия.

Отношение шансов и отношение правдоподобия

Пример с допингом демонстрирует логические шаги, позволяющие добраться до той величины, которая действительно важна при принятии решения: среди спортсменов с положительным тестом доля реальных допингистов 19/68. Дерево ожидаемых количеств показывает, что эта величина зависит от трех ключевых чисел: доли атлетов, принимаюших допинг (1/50, или 20 человек из 1000 в нашем дереве), доли допингистов, которые тест определяет правильно (95%, или 19/20 в дереве), и доли честных атлетов с ложноположительным результатом теста (5%, или 49/980 в дереве).

С помощью дерева ожидаемых количеств анализ становится вполне интуитивно понятным, хотя теорема Байеса также предоставляет удобную формулу для выражения в вероятностях.

Но сначала мы должны вернуться к идее шансов, введенной в главе 1, хотя опытные игроки, по крайней мере в Британии, прекрасно с ней знакомы. Шансы на какое-то событие — это вероятность того, что оно произойдет, деленная на вероятность того, что оно не произойдет. Например, если мы бросаем игральную кость, то шансы на выпадение шестерки — 1 к 5. На самом деле вероятность выпадения шестерки равна 1/6, а вероятность выпадения нешестерки — 5/6; поэтому шансы на выпадение шестерки равны 1/6 : 5/6 = 1/5* (обычно именуется «один к пяти» или «пять против одного», если вы используете британский метод выражения шансов в азартных играх).

Теперь нам нужно ввести идею отношения правдоподобия — понятия, ставшего критически важным при выражении силы судебных доказательств в уголовном судопроизводстве. Судьи и адвокаты постепенно учатся понимать отношения правдоподобия, которые фактически сравнивают относительную поддержку, предоставляемую неким фактом (свидетельством, доказательством) для двух конкурирующих гипотез, назовем их А и В, часто означающих виновность и невиновность. С технической точки зрения отношение правдоподобия — это вероятность факта при условии гипотезы А, деленная на вероятность факта при условии гипотезы В.

Давайте посмотрим, как это работает в случае с пробой на допинг, когда судебный факт — это положительный результат теста, гипотеза А — спортсмен принимал допинг, а гипотеза В — не принимал.

Мы приняли, что 95% допингистов сдают положительный тест, значит, вероятность такого факта при условии гипотезы А равна 0,95. Мы знаем, что 5% атлетов, не принимающих допинг, сдают положительный тест, поэтому вероятность такого факта при условии гипотезы В составляет 0,05. Следовательно, отношение правдоподобия равно 0,95/0,05 = 19, то есть положительный результат теста в 19 раз более вероятен, когда спортсмен виновен, чем когда невиновен. На первый взгляд это может показаться довольно веским доказательством, но вскоре мы увидим отношения правдоподобия, составляющие миллионы и миллиарды.

Давайте соединим все это в теореме Байеса, которая просто говорит, что начальные шансы какой-то гипотезы × отношение правдоподобия = конечные шансы для этой гипотезы.

В примере с допингом начальные шансы гипотезы «спортсмен принимал допинг» составляют 1 к 49, а отношение правдоподобия равно 19, поэтому теорема Байеса гласит, что конечные шансы равны

1/49 × 19 = 19/49.

Шансы 19 к 49 можно преобразовать в вероятность 19/(19 + 49) = 28%. Таким образом, вероятность, которую мы получили более простым путем из дерева ожидаемых количеств, можно вывести и из теоремы Байеса.

На более формальном языке начальные шансы именуются априорными, а конечные — апостериорными. Формулу можно применить еще раз, и тогда апостериорные шансы после первого факта станут априорными перед учетом второго, независимого, факта. При объединении всех этапов процесс эквивалентен умножению независимых отношений правдоподобия и формированию общего составного отношения правдоподобия.

Теорема Байеса выглядит обманчиво простой, но на самом деле в ней заключен чрезвычайно мощный способ получения информации из данных.